Optimale Energienutzung
in der Industrie
Seit Anbeginn der Zeit hat der Mensch erfinderische Wege gefunden, um Wärme, Kälte und Wasser zu nutzen, um zu überleben und sich weiterzuentwickeln. Wussten Sie zum Beispiel, dass die Römer die ersten waren, die eine Zentralheizung einsetzten? Hierfür benutzten sie einen Ofen, um heiße Luft zu erzeugen, die durch Kanäle unter dem Boden strömte, um Wärme zu erzeugen. Und um ihre Häuser zu kühlen, versuchten sie, kühles Wasser aus den Aquädukten durch die Kanäle in den Hauswänden zu leiten. Seit den Erfindungen der Römer haben wir einen weiten Weg zurückgelegt und vor allem im letzten Jahrhundert moderne Wärme-, Kälte- und Wassertechniken entwickelt, die nicht nur für unsere Häuser unverzichtbar sind: Die Industrie ist in hohem Maße auf diese Energien angewiesen, damit ihre Produktionsprozesse funktionieren. In einer Zeit, in der wir immer umweltbewusster werden, ist es jedoch unerlässlich, dass die Industrie ihren Energieverbrauch effizient verwaltet.
In diesem Artikel befassen wir uns damit, wie die Industrie Prozesswärme und -kälte sowie Wasser optimal nutzen kann, was nicht nur den Unternehmen, sondern auch der Umwelt zugutekommt.
Warum sind Wärme, Kälte und Wasser so wichtig für die Industrie?
Um die Bedeutung der genannten Energieträger zu verstehen, lohnt es sich, einen Blick auf ihre Verwendung in der Industrie zu werfen:
- Wärme: Prozesswärme wird unter anderem in der Chemie-, Eisen- und Stahlindustrie sowie bei der Herstellung von Zement, Glas und Keramik benötigt. In all diesen Branchen fallen in der Produktion Arbeiten wie Trocknen, Schmelzen, Schmieden, Schweißen usw. an, bei denen große Wärmemengen benötigt werden. Mehr als 60 % des industriellen Energiebedarfs in Deutschland wird allein für Prozesswärme verwendet.
- Kälte: Prozesskühlung wird eingesetzt, um unerwünschte Wärme aus einem industriellen Prozess zu entfernen, damit dieser sicher und effizient fortgesetzt werden kann. In der Lebensmittelindustrie ist sie für die Kühlung von Lebensmitteln und Getränken oder bei Prozessen wie der Gärung von Bier unerlässlich. Andere Bereiche, in denen sie unverzichtbar ist, sind die pharmazeutische/medizinische Industrie, die konstante Lagerbedingungen bei niedrigen Temperaturen für medizinische Produkte benötigt. In der industriellen Fertigung wird sie eingesetzt, um Maschinen zu kühlen, nachdem sie bei hohen Temperaturen gelaufen sind, oder um bestimmte Produkte zu kühlen, z. B. Kunststoffe während des Formungsprozesses. Für die genannten Kühlprozesse werden in der Regel Kühltürme, verschiedene industrielle Kältemaschinen und eingesetzt.
- Wasser: Die Industrie ist ein großer Wasserverbraucher. Tatsächlich entfallen 40 % des gesamten weltweiten Wasserverbrauchs auf die Industrie. Textilherstellung, Papierfabriken, die Öl- und Gasindustrien, Lebensmittelverarbeitung und viele mehr – all diese Branchen sind für ihre Produktion auf Wasser angewiesen. Es wird bei vielen Produktionsschritten benötigt, z. B. bei der Herstellung, Verdünnung und Reinigung, und natürlich auch beim Kühlen und Heizen. Darüber hinaus muss das Abwasser sehr sorgfältig verwaltet werden, um eine Verschmutzung/Dekontaminierung zu vermeiden.
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Was bringt mathematische Optimierung?
Die oben genannten Arbeiten und Prozesse sind entscheidende Aspekte der Produktionsinfrastruktur, doch das Hauptproblem besteht darin, dass der übermäßige Verbrauch dieser drei Energieträger negative Auswirkungen auf die Umwelt hat. Durch die starke Erwärmung und Kühlung von Prozessen werden große Mengen an CO2 in die Atmosphäre freigesetzt. Da die Wasserknappheit bis 2050 voraussichtlich zunehmen und sich auf weitere Regionen ausbreiten wird, ist auch die Industrie gefordert, ihren Wasserfußabdruck zu verringern. Mit der Einführung zahlreicher Gesetze, die die Industrie dazu verpflichten, nachhaltigere, klimaneutrale Produktionsmethoden einzuführen und vorgegebene Nachhaltigkeitsziele zu erreichen, stehen die Unternehmen vor großen Herausforderungen. Erschwerend kommt hinzu, dass die derzeitige Energiekrise, die zu noch höheren Kosten für den Verbrauch fossiler Brennstoffe und Elektrizität geführt hat. Das heißt, dass viele Unternehmen darum kämpfen müssen, ihre Effizienz aufrechtzuerhalten und gleichzeitig ökologische und wirtschaftliche Ziele zu erreichen.
Senkung des Energieverbrauchs, aber wie?
Es ist schon längst bekannt, dass eine Senkung des Energieverbrauchs durch jeden Einzelnen und jedes Unternehmen die globale Erwärmung erheblich verlangsamen kann. Dies würde somit ökologische – und wirtschaftliche – Vorteile bringen. Durch den schrittweisen Ausstieg aus konventionellen Energieträgern und die Umstellung auf erneuerbare Energien sowie die Einführung effizienterer, klimaneutraler Produktionsverfahren kann die Industrie ihren CO2-Fußabdruck erheblich verringern und die Effizienz insgesamt steigern. Im Bereich Wärme-, Kälte- und Wasserverbrauch setzen die Unternehmen bereits Lösungen um:
- Wärme: Auf industrielle Wärme entfallen zwei Drittel des industriellen Energiebedarfs und fast ein Fünftel des weltweiten Energieverbrauchs. Die heutige industrielle Wärmenachfrage stützt sich hauptsächlich auf fossile Brennstoffe. 75 % davon werden immer noch durch Kohle, Öl und Gas erzeugt. Um ambitionierte Klimaziele zu erreichen, ist ein Umstieg auf neue Wärmealternativen wie Solarthermie, Geothermie und Bioenergie erforderlich. Diese bieten zwar ein großes Zukunftspotenzial, können aber noch nicht in allen Industrieanlagen optimal eingesetzt werden und können Wärme nur bis zu einer bestimmten Temperatur erzeugen. Außerdem handelt es sich um volatile Verfahren, die Wärme kann beispielsweise nur zu bestimmten Tageszeiten erzeugt werden. Die Elektrifizierung der Wärmeerzeugung, z. B. mit einer Wärmepumpe, ist ebenfalls möglich, allerdings nur für Prozesse bei niedrigen bis mittleren Temperaturen.
Eine Reduzierung des industriellen Wärmebedarfs ist aber auch durch betriebliche Maßnahmen wie die Vermeidung und Nutzung von Abwärme möglich. Der primäre Wärmebedarf kann durch die Optimierung von Prozessen zur Vermeidung von Wärmeverlusten (z. B. durch verbesserte Isolierung und Wärmerückgewinnung) reduziert werden. „Unvermeidbare“ Abwärme kann zum Vorwärmen von Prozessen, zur Raum- und Wassererwärmung wiederverwendet und auch extern zur Verfügung gestellt werden (z. B. durch Einspeisung in Nahwärmenetze). - Kälte: Industrielle Kühlung ist für 10-15 % aller Treibhausgasemissionen verantwortlich. Viele Jahre lang war die Industrie auf synthetische Kältemittel wie FCKW, H-FCKW und HFKW angewiesen, die als große Klimakiller eingestuft und folglich verboten wurden. Sie wurden dann durch natürliche Kältemittel wie Luft und Wasser ersetzt, die die Umweltauswirkungen erheblich verringern. Mittlerweile ist das Angebot an effiziente, hochtechnologische Kühlgeräten groß. Weitere Maßnahmen, um Kälteverbrauch zu reduzieren, sind eine ordnungsgemäße Wartung und betriebliche Verbesserungen (zeitgesteuerte Abtauzyklen, automatische Türen, Gewährleistung der Dichtigkeit usw.) der Geräte. Diese Methoden können ebenfalls erheblich zur Senkung des Energieverbrauchs bei Kühlprozessen beitragen.
- Wasser: Eine effiziente Wassernutzung kann sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Vorteile bringen. Sie führt natürlich zu weniger Wasserverschmutzung und damit zu einer besseren Wasserqualität und schützt die Süßwasserressourcen. Wassersparen bedeutet auch, Kosten für Strom, Gas, Chemikalien und Abwasserentsorgung zu sparen.
Die Reduzierung des Wasserverbrauchs kann in der Industrie auf viele einfache Arten erreicht werden. Zum Beispiel kann eine routinemäßige Wartung dazu beitragen, Lecks in Rohrleitungen oder Maschinen zu erkennen, durch die Unmengen von Wasser verschwendet werden können. Komponenten und Geräte können durch Alternativen ersetzt werden, die das Wasser effizienter nutzen, z. B. Schläuche und Sprays mit Absperrdüsen zur Steuerung des Wasserflusses. Und schließlich sollte das abfließende Wasser, wo immer möglich, wiederverwendet werden. Dies könnte das Spülwasser aus der Reinigung, das Kondenswasser aus Heizkesseln, das Abtauen von Kühlschränken usw. sein.
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Eine klimaneutrale Produktion benötigt vorausschauende Planung
Die entscheidenden Stellhebel auf dem Weg zu einer klimaneutralen Produktionsinfrastruktur liegen jedoch in der Planungsphase. Hier werden Entscheidungen über die Systemtopologie getroffen, strategische Überlegungen zur Technologieauswahl und zur Nutzungssteuerung angestellt. Betrachtet man jeden der oben genannten Bereiche einzeln, erscheinen die Lösungen zur Reduzierung des Wärme-, Kälte- und Wasserverbrauchs recht einfach. Wenn wir jedoch alle drei Faktoren kombinieren, werden die Dinge weitaus komplexer. Die Restriktionen und Ziele aller drei Bereiche können in Konflikt zueinander stehen, Entscheidungen in einem Bereich haben direkte und indirekte Auswirkungen auf die anderen, seien diese positiv oder negativ. Darüber hinaus müssen auch andere Unternehmens- und Produktionsziele berücksichtigt werden: Kosteneffizienz, minimale Durchlauf- und Rüstzeiten, Maschinenauslastung usw. Dies macht die Planung äußerst kompliziert, insbesondere, wenn Unternehmen manuelle Planungsmethoden wie Tabellenkalkulationen einsetzen.
Advanced Analytics kann hier eine wichtige unterstützende Rolle spielen. Der Schwerpunkt liegt auf modellbasierten Ansätzen mit dynamischen Simulationsverfahren und mathematischer Optimierung, die die Bewertung von technisch-ökonomischen und ökologischen Kriterien bei der die Planung neuer und bestehender Produktions-infrastruktursysteme unterstützen können.
Dazu ist die Erfassung von Daten zum Wärme-, Kälte- und Wasserverbrauch unerlässlich. Hierzu gehören relevante technische und ökonomische Daten wie Temperaturen, Nachspeisemengen, Durchflussmengen, Druck- und Verdunstungsverluste, Betriebs- und Fertigungsverfahren, wann Prozesswärme und -kühlung stattfindet, wie viel Wärme wiederverwendet wird, wofür das Wasser verwendet wird und vieles mehr. Die Daten können dann in einer Planungssoftware erfasst, verwaltet und ausgewertet werden.
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Die Möglichkeiten unserer technologischen Fortschritte ausnutzen
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